Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析

畢京學(xué)，甄　杰，郭　英

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州221008；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；3.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島266510）

Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析

畢京學(xué)1，2，甄杰2，郭英3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州221008；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；
3.山東科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，山東青島266510）

介紹了手機(jī)GPS定位的基本原理，分別利用手機(jī)GPS模塊定位和A-GPS定位方式對(duì)同一參考點(diǎn)測(cè)量30 min，通過(guò)定位數(shù)據(jù)分析智能手機(jī)GPS室外定位精度。定位結(jié)果表明:移動(dòng)設(shè)備集成的GPS模塊與GPS接收機(jī)在定位精度和穩(wěn)定性等方面有很大差異；手機(jī)GPS模塊定位可滿足導(dǎo)航需求；A-GPS在一定時(shí)間內(nèi)定位誤差小于5 m，可用于地理信息快速采集；為保證定位可靠性，需將測(cè)量時(shí)間控制在5 min內(nèi)。

手機(jī)GPS；A-GPS；定位精度

iOS、Android、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機(jī)都集成了 GPS模塊，甚至有些手機(jī)支持GLONASS和北斗定位，見(jiàn)表1。手機(jī)定位衍生的手機(jī)導(dǎo)航、手機(jī)地圖與手機(jī)社交服務(wù)，給人們帶來(lái)了極大便利，豐富了人們的日常生活，使得基于位置的服務(wù)（location based service，LBS）需求量逐年遞增。縱觀國(guó)內(nèi)外，自A-GPS技術(shù)出現(xiàn)，智能手機(jī)室外定位的科研成果較少，應(yīng)用較多，主要原因是手機(jī)端集成的GPS定位模塊造價(jià)低廉，在性能上與測(cè)量型GPS接收機(jī)相差甚遠(yuǎn)。謝翔等研究了手機(jī)在室內(nèi)多種環(huán)境下的定位精度［1］；李傳軍等研究了GPS手機(jī)差分系統(tǒng)［2］；任超研究了基于 GPSOne技術(shù)的智能手機(jī)定位精度及可靠性［3］；Zandbergen等比較了輔助GPS、WiFi和蜂窩定位技術(shù)［4］，還研究了高靈敏度GPS手機(jī)的定位精度［5］；除此以外多是基于手機(jī)GPS的應(yīng)用開(kāi)發(fā)［6-9］。而移動(dòng)地圖之所以有較好的定位和導(dǎo)航性能，是因?yàn)橐肓说貓D約束?？偠灾⑿虶PS模塊硬件性能決定了手機(jī)GPS的定位效果。

表1　國(guó)內(nèi)熱門智能手機(jī)定位硬件配置

本文利用紅米Note手機(jī)獲取衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)，可視衛(wèi)星共20顆，其中GPS衛(wèi)星10顆，GLONASS衛(wèi)星8顆，BeiDou衛(wèi)星2顆，限于篇幅僅羅列其中8顆衛(wèi)星，見(jiàn)表2。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，盡管手機(jī)可以捕獲GLONASS和BeiDou衛(wèi)星信號(hào)，但不參與位置解算，而且Android系統(tǒng)和手機(jī)制造商未提供GLONASS 和BeiDou定位的開(kāi)發(fā)接口，致使無(wú)法分析手機(jī)中GLONASS和BeiDou定位精度，因此以手機(jī)GPS定位研究為主。為方便描述，將手機(jī)GPS定位分為普通GPS模塊定位和A-GPS定位。

一、手機(jī)GPS定位技術(shù)

1.手機(jī)GPS定位原理

手機(jī)GPS定位原理如圖1所示。與測(cè)量型GPS接收機(jī)工作原理相同，手機(jī)GPS定位需要至少4顆衛(wèi)星才有固定解，區(qū)別是手機(jī)GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPS測(cè)量型接收機(jī)，僅能夠滿足導(dǎo)航定位、社交應(yīng)用、商場(chǎng)購(gòu)物等日常應(yīng)用和娛樂(lè)生活。

（1）普通GPS模塊定位

手機(jī)開(kāi)啟普通GPS模塊，搜索該區(qū)域可見(jiàn)GPS衛(wèi)星，利用捕獲的衛(wèi)星信號(hào)解算出移動(dòng)用戶的位置信息，并把位置信息按照NMEA0183傳輸協(xié)議提供給接口。

（2）A-GPS定位

A-GPS是將GPS衛(wèi)星定位與無(wú)線蜂窩融合而成的網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)。由于無(wú)線通信蜂窩基站可以實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，含有A-GPS模塊的手機(jī)發(fā)送定位請(qǐng)求信息時(shí)，定位服務(wù)器可以向手機(jī)傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，如小區(qū)上空可見(jiàn)衛(wèi)星和數(shù)目，以及位置改正參數(shù)，可以縮小衛(wèi)星搜索范圍，縮短搜索時(shí)間，使第一次定位時(shí)間（time to first fix，TTFF）降至幾秒鐘［10］。如圖1所示，系統(tǒng)包括三部分:一是具有A-GPS功能的智能終端；二是具備衛(wèi)星跟蹤能力的無(wú)線蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)；三是A-GPS定位服務(wù)器，負(fù)責(zé)位置計(jì)算和位置分發(fā)。

表2　部分衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖1　手機(jī)GPS定位原理

2.A-GPS定位工作流程［11］

1）手機(jī)把所在蜂窩小區(qū)附近的基站地址通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器。

2）位置服務(wù)器根據(jù)手機(jī)的大概位置向定位請(qǐng)求的手機(jī)發(fā)送與該位置相關(guān)的GPS衛(wèi)星輔助信息（主要是相關(guān)GPS衛(wèi)星的狀態(tài)）和位置解算的輔助信息（GPS衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、位置改正數(shù)據(jù)等）。

3）手機(jī)依據(jù)相關(guān)輔助信息快速搜索到可見(jiàn)GPS衛(wèi)星，并接收GPS原始衛(wèi)星信號(hào)。

4）手機(jī)解調(diào)接收GPS原始信息后，計(jì)算手機(jī)到衛(wèi)星的偽距，并把相關(guān)定位信息發(fā)送給位置服務(wù)器。

5）位置服務(wù)器結(jié)合差分GPS基準(zhǔn)站或基站的輔助信息對(duì)接收的GPS偽距信息進(jìn)行處理，估算手機(jī)的位置，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)。

6）手機(jī)上的應(yīng)用調(diào)用定位結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。

普通GPS模塊定位和A-GPS定位的比較見(jiàn)表3。

表3　普通GPS模塊定位和A-GPS定位的比較

二、手機(jī)GPS定位精度試驗(yàn)

1.試驗(yàn)描述

首先，利用CORS在某點(diǎn)實(shí)測(cè)30 s獲得較準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)，該點(diǎn)位于中國(guó)測(cè)繪創(chuàng)新基地內(nèi)，距離高樓約40 m，觀測(cè)環(huán)境較理想，附近無(wú)其他干擾。將安裝有自主開(kāi)發(fā)“GPS測(cè)量及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”軟件的三星Note8手機(jī)放置在該點(diǎn)，分別以GPS模塊定位和A-GPS定位模式靜止觀測(cè)30 min，并記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。

手機(jī)GPS測(cè)量中高程誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 m，為避免平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入高程測(cè)量誤差，故利用高斯投影把測(cè)得的經(jīng)度和緯度投影到高斯平面［12］。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2和圖3分別為手機(jī)GPS模塊定位和AGPS定位的x、y方向的偏差變化趨勢(shì)、離散程度以及準(zhǔn)確度描述示意圖。

圖2　手機(jī)GPS模塊定位結(jié)果

由圖2可知，在前260 s，手機(jī)GPS觀測(cè)結(jié)果較穩(wěn)定，平面誤差約7 m，x方向誤差很小，y方向偏差很大，達(dá)到6.2 m；在后面的觀測(cè)過(guò)程中，由于GPS模塊內(nèi)部噪聲和系統(tǒng)誤差的影響，x和y方向均有較大誤差，x方向誤差變化較大，在1190 s左右有10 m左右偏差；有77.8%的點(diǎn)位誤差在5 m以內(nèi)，55.4%的點(diǎn)位誤差落在3 m以內(nèi)。盡管大部分點(diǎn)位誤差在5 m內(nèi)，但均不在前260 s穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，定位精度較高的點(diǎn)位隨機(jī)性較大，手機(jī)GPS模塊定位精度不可靠。

圖3　手機(jī)A-GPS定位結(jié)果

由圖3可知，在前10 s內(nèi)定位誤差較大，結(jié)果與GPS模塊定位接近；16 s時(shí)定位精度快速提高，定位誤差約0.5 m；在后期 280 s內(nèi)，A-GPS的定位結(jié)果穩(wěn)定可靠，x和y方向偏差均小于0.5 m；3 min后隨著A-GPS使用時(shí)間增長(zhǎng)，定位結(jié)果有較大波動(dòng)，GPS模塊定位誤差的影響大于位置改正數(shù)據(jù)的改正；77%的點(diǎn)位誤差在3 m內(nèi)，有97.7%的點(diǎn)位誤差在5 m以內(nèi)，定位精度相較高。

比較圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，手機(jī)GPS模塊和A-GPS模塊正常使用時(shí)間較短，都在5 min以內(nèi)；長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲或漂移，且產(chǎn)生的誤差影響要大于基站位置改正數(shù)據(jù)的影響；定位結(jié)果隨機(jī)性太強(qiáng)，穩(wěn)定性較差。

三、結(jié) 論

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到如下結(jié)論:

1）在觀測(cè)條件較好的條件下，手機(jī)GPS普通模塊定位精度為5～10 m，可應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、社交、商場(chǎng)購(gòu)物促銷等對(duì)定位要求不高的基于位置服務(wù)中。

2）在觀測(cè)條件較好的環(huán)境下，手機(jī)A-GPS定位精度較高，優(yōu)于5 m，較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)可提高定位精度，可應(yīng)用于地理信息快速采集等。

3）為保證手機(jī)GPS定位的可靠性，將連續(xù)使用GPS時(shí)間控制在5 min內(nèi)。

［1］ 謝翔，荊昊，郭際明.室內(nèi)環(huán)境下手機(jī)GPS定位精度研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012（8）:95-98.

［2］ 李傳華，孫禮軍，陸林濤.GPS手機(jī)的差分定位系統(tǒng)研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2012，37（3）:50-51.

［3］ 任超，吳偉，彭家頔，等.基于GPSOne技術(shù)的智能手機(jī)定位精度及可靠性研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012 （2）:54-55.

［4］ ZANDBERGEN P A.Accuracy of iPhone Locations:A Comparison of Assisted GPS，WiFi and Cellular Positioning［J］.Transactions in GIS，2009，13（S1）:5-25.

［5］ ZANDBERGEN P A，BARBEAU S J.Positional Accuracy of Assisted GPS Data from High-sensitivity GPS-enabled Mobile Phones［J］.Journal of Navigation，2011，64（3）:381-399.

［6］ 夏飛陽(yáng).基于Android手機(jī)平臺(tái)的自主旅游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2011.

［7］ 翟玉山.基于Android平臺(tái)手機(jī)地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012.

［8］ 凡里偉.Android平臺(tái)手機(jī)防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2012.

［9］ 張志清.基于Android的移動(dòng)社交產(chǎn)品客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2012.

［10］ 馬昀.手機(jī)AGPS輔助定位技術(shù)的研究與優(yōu)化［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2008.

［11］ 曹科.基于智能手機(jī)的A-GPS定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.

［12］ 畢京學(xué)，郭英，張鼎凱，等.基于CORS的高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法探究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2015，40（1）: 98-101.

首屆地圖學(xué)理論與方法研討會(huì)成功召開(kāi)

［本刊訊］ 6月25—26日，首屆地圖學(xué)理論與方法研討會(huì)在蘭州交通大學(xué)舉辦。來(lái)自香港理工大學(xué)、武漢大學(xué)、中山大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)、中南大學(xué)、南京師范大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院等高校與科研院所的30多名地圖學(xué)與地理信息科學(xué)專家蒞臨會(huì)議，500多名高校師生和測(cè)繪地理信息工作者參加會(huì)議。

本次研討會(huì)的主題為“地圖綜合與空間關(guān)系理論”，重點(diǎn)探討了地圖綜合的理論、方法與技術(shù)，空間關(guān)系理論及應(yīng)用、地圖學(xué)新進(jìn)展、大數(shù)據(jù)在地理信息研究中的應(yīng)用，以及地理信息科學(xué)與技術(shù)的其他熱點(diǎn)問(wèn)題，旨在促進(jìn)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)交流與研究成果的共享，推動(dòng)學(xué)術(shù)界對(duì)地圖學(xué)的深入認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新研究。王家耀院士、李志林教授、張新長(zhǎng)教授分別作了《我的〈地圖學(xué)與地理信息工程〉學(xué)術(shù)與教育:足跡與感悟》《地圖學(xué)人類知識(shí)表達(dá)及進(jìn)展》《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的城市居民地更新信息檢測(cè)與多尺度傳遞研究》的主題報(bào)告，另有李滿春、王明孝、劉繼平、武芳、艾廷華、龍毅、鄧敏、杜世宏、董衛(wèi)華、遆鵬等10位地圖學(xué)專家學(xué)者依次作了精彩的專題報(bào)告。

會(huì)上同時(shí)舉辦了國(guó)際期刊Journal of Geovisualization and Spatial Analysis（JGSA）的創(chuàng)刊揭牌儀式。會(huì)議同時(shí)決定第二屆地圖學(xué)理論與方法研討會(huì)于2017年在南京大學(xué)召開(kāi)。

（本刊編輯部）

Accuracy of GPS and A-GPS Positioning on Android Phone

BI Jingxue，ZHEN Jie，GUO Ying

10.13474/j.cnki.11-2246.2016. 0213.

P228

B

0494-0911（2016）07-0010-04

2015-07-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2013AA12A201）

畢京學(xué)（1991—），男，碩士生，研究方向?yàn)镚PS原理及定位、室內(nèi)外無(wú)縫定位。E-mail:bjx1050@163.com

引文格式：畢京學(xué)，甄杰，郭英.Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析［J］.測(cè)繪通報(bào)，2016（7）:10-13.